[論文レビュー] New Physics Models Facing Lepton Flavor Violating Higgs Decays

Nejc Košnik|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、CMSが観測したヒッグス粒子のタウ・ミューオンレプトンへの崩壊（h→τμ）における一時的な2.4σの過剰信号の影響を検討し、有効場理論とグローバルなヒッグスデータを用いて、レプトンフレーバー違反ヒッグス結合に対するきつい制約を導出する。もしこの信号が確認された場合、Belle IIでτ→μγの観測率が顕著になるだろうし、μ→eγおよびμ-e変換からの間接的プローブによってh→τeはきびしく制約されることになる。今後の実験では、10⁻⁵〜10⁻¹²のレベルまで探査可能となる。

ABSTRACT

We speculate about the possible interpretations of the recently observed excess in the $h o τμ$ decay. We derive a robust lower bound on the Higgs boson coupling strength to a tau and a muon, even in presence of the most general new physics affecting other Higgs properties. Then we reevaluate complementary indirect constraints coming from low energy observables as well as from theoretical considerations. In particular, the tentative signal should lead to $τ o μγ$ at rates which could be observed at Belle II. In turn we show that, barring fine-tuned cancellations, the effect can be accommodated within models with an extended scalar sector. These general conclusions are demonstrated in explicit new physics models. Finally we show how, given the $h o τμ$ signal, the current and future searches for $μ o e γ$ and $μ o e$ nuclear conversions unambiguously constrain the allowed rates for $h o τe$.

研究の動機と目的

• CMSが観測したh→τμ崩壊における一時的な2.4σの過剰信号が、新しい物理学のモデルと整合するかを評価すること。
• 他のヒッグス性質が新しい物理学によって変化しても、効果的ヒッグス結合のτおよびμレプトンへの下限をきっちり導出すること。
• τ→μγ、μ→eγ、およびμ-e核変換などの低エネルギーにおけるレプトンフレーバー不変破れ過程からの間接的制約を検討すること。
• h→τμ信号が、特にタイプ-III二ヒッグスダブルレプトンモデル（THDM III）を含むスカラー拡張を持つモデルに収まりうるかを検討すること。
• μ→eγおよびμ-e変換実験からの制約を用いて、h→τμとh→τeのBrの相関関係を確立すること。

提案手法

• レプトンフレーバー不変破れヒッグス結合を、ラグランジアン内の非対角ヤコビアン項yτμおよびyμτによってパラメータ化する有効場理論（EFT）アプローチを用いる。
• LHCヒッグス生成および崩壊データへのグローバルフィットを適用し、Γhおよびσhの変更を考慮した上で|yτμ|² + |yμτ|²の制約を抽出する。
• 自然性基準√|yτμ yμτ| ≲ √(mμ mτ)/v ≈ 0.0018を用いて、有効結合の理論的下限を導出する。
• 電磁場強度Fαβおよびチャイralプロジェクターを含む有効ラグランジュアンを用いて、ループ誘導型のBr(τ→μγ)を計算する。
• 有効オペレーターを用いてμ→eγおよびμ-e変換からの制約を評価し、LFVヒッグス崩壊とこれらの過程との関係を導出する。
• μ→eγ（≤5.7×10⁻¹³）およびμ-e変換（≤7×10⁻¹³）の実験的制限を組み合わせ、h→τeの制約をh→τμを含む積関係式によって導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 他のヒッグス性質が変化しても、観測されたh→τμの2.4σの過剰信号が新しい物理学の信号として一貫して解釈可能か？
• RQ2 他のヒッグス結合に関する仮定に依存せずに、τおよびμレプトンへの有効ヒッグス結合の下限は何か？
• RQ3 h→τμが0.84%のレベルにある場合、τ→μγ、μ→eγ、およびμ-e変換からの間接的制約が、h→τeのBrにどのように制約を加えるか？
• RQ4 h→τμ信号は、タイプ-III二ヒッグスダブルレプトンモデルのようなスカラー拡張を持つモデルに収まりうるか？
• RQ5 今後のμ→eγおよびμ-e変換の探査は、h→τμとh→τeのBrの積をどの程度まで探査可能にするか？

主な発見

• Γhおよびσhが変化しても、τおよびμレプトンへの有効ヒッグス結合強度に対するきつい下限が0.0017（68% C.L.）から0.0036（95% C.L.）まで確立された。
• 観測されたh→τμのBrは、自然性基準√|yτμ yμτ| ≲ 0.0018と整合しており、微調整は必要ない。
• h→τμ信号が確認された場合、EFTフレームワークにおける強い相関により、Belle IIでτ→μγの崩壊率が観測可能になると予測される。
• 現在のh→τeへの間接的制約はB(h→τe) < 0.26%であり、既存のτ→eγの制限（B < 0.19%）より弱い。
• 今後のμ→eγおよびμ-e変換の探査の向上により、EFTではB(h→τe)を10⁻⁵レベルで、THDM IIIでは10⁻¹²またはそれ以下まで間接的に探査可能になる。
• タイプ-III THDMでは、h→τμとh→τeが同時にパーセントレベルに達することは不可能であり、モデルはh→τeのBrを著しく抑制すると予測する。